Цифровая техника чуть ближе к биологии, ДНК и мозгу

Илон Маск уверяет, что в ближайшем будущем людям удастся создать полноценный интерфейс мозг-компьютер. А пока мы время от времени узнаем о его экспериментах над животными, сначала над свиньями, а в последнее время над обезьянами. Мысль о том, что Маск добьется своего и сумеет вживить коммуникационный терминал в голову человека, одних завораживает, других пугает.

Он не только работает над новым Мускус. Ученые из Великобритании, Швейцарии, Германии и Италии недавно объявили о результатах проекта, позволившего объединить искусственные нейроны с естественными (1). Все это делается через Интернет, который позволяет биологическим и «кремниевым» нейронам общаться друг с другом. Эксперимент включал выращивание нейронов у крыс, которые затем использовались для передачи сигналов. Лидер группы Стефано Вассанелли сообщил, что ученым впервые удалось показать, что искусственные нейроны, размещенные на чипе, могут быть напрямую связаны с биологическими.

Исследователи хотят воспользоваться искусственные нейронные сети восстановить правильное функционирование поврежденных участков головного мозга. После внедрения в специальный имплант нейроны будут выступать в роли своеобразного протеза, который будет адаптироваться к естественным условиям работы мозга. Подробнее о самом проекте можно прочитать в статье в журнале Scientific Reports.

Facebook хочет проникнуть в ваш мозг

Те, кто боится такой новой техники, могут быть правы, особенно когда мы слышим, что, например, мы хотели бы выбирать «содержание» своего мозга. На мероприятии, проведенном в октябре 2019 года поддерживаемым Facebook исследовательским центром Chan Zuckerberg BioHub, он рассказал о надеждах на создание портативных устройств, управляемых мозгом, которые заменят мышь и клавиатуру. «Цель состоит в том, чтобы иметь возможность управлять объектами в виртуальной или дополненной реальности своими мыслями», — сказал Цукерберг, которого цитирует CNBC. Facebook купил CTRL-labs, стартап, разрабатывающий системы интерфейса мозг-компьютер, почти за миллиард долларов.

О работе над интерфейсом мозг-компьютер впервые было объявлено на конференции Facebook F8 в 2017 году. Согласно долгосрочному плану компании, однажды неинвазивные носимые устройства позволят пользователям писать слова, просто думая их. Но этот вид технологий все еще находится на очень ранней стадии, тем более, что мы говорим о сенсорных, неинвазивных интерфейсах. «Их способность переводить происходящее в мозгу в двигательную активность ограничена. Для больших возможностей нужно что-то вживить», — сказал Цукерберг на вышеупомянутой встрече.

Позволят ли себе люди «что-то имплантировать», чтобы связаться с людьми, известными своим безудержным аппетитом к приватные данные из фейсбука? (2) Возможно такие люди и найдутся, особенно когда он им предлагает сокращения статей, которые они не хотят читать. В декабре 2020 года Facebook сообщил сотрудникам, что работает над инструментом для обобщения информации, чтобы пользователям не приходилось ее читать. На той же встрече он представил дальнейшие планы по нейронному датчику для обнаружения человеческих мыслей и преобразования их в действия на веб-сайте.

2. Мозг и интерфейсы Facebook

Из чего сделать мозгоэффективные компьютеры?

Эти проекты не единственные усилия, которые будут созданы. Простое соединение этих миров — не единственная цель, которая преследуется. Есть, например. нейроморфная инженерия, тренд, направленный на воссоздание возможностей машин человеческий мозг, например, с точки зрения его энергоэффективности.

Прогнозируется, что к 2040 году глобальные энергетические ресурсы не смогут удовлетворить наши вычислительные потребности, если мы будем придерживаться кремниевых технологий. Поэтому возникает острая необходимость в разработке новых систем, способных обрабатывать данные быстрее и, главное, более энергоэффективно. Ученым давно известно, что методы мимикрии могут быть одним из способов достижения этой цели. человеческий мозг.

W кремниевые компьютеры разные функции выполняют разные физические объекты, что увеличивает время обработки и вызывает огромные тепловые потери. Напротив, нейроны в мозгу могут одновременно отправлять и получать информацию по огромной сети с напряжением, в десять раз меньшим, чем у наших самых передовых компьютеров.

Главное преимущество мозга перед его кремниевыми аналогами заключается в его способности обрабатывать данные параллельно. Каждый из нейронов связан с тысячами других, и все они могут выступать в качестве входных и выходных данных для данных. Чтобы иметь возможность хранить и обрабатывать информацию, как это делаем мы, необходимо разработать физические материалы, способные быстро и плавно переходить из состояния проводимости в состояние непредсказуемости, как в случае с нейронами. 

Несколько месяцев назад в журнале «Материя» была опубликована статья об исследовании материала с такими свойствами. Ученые Техасского университета A&M создали нанопроволоки из составного символа β’-CuXV2O5, которые демонстрируют способность колебаться между состояниями проводимости в ответ на изменения температуры, напряжения и силы тока.

При ближайшем рассмотрении было обнаружено, что эта способность обусловлена ​​движением ионов меди по всему β’-CuxV2O5, что заставляет движение электронов и изменяет проводящие свойства материала. Чтобы управлять этим явлением, в β’-CuxV2O5 генерируется электрический импульс, очень похожий на тот, который возникает, когда биологические нейроны посылают сигналы друг другу. Наш мозг функционирует, активируя определенные нейроны в ключевые моменты времени в уникальной последовательности. Последовательность нейронных событий приводит к обработке информации, будь то воспроизведение памяти или выполнение физической активности. Схема с β’-CuxV2O5 будет работать так же.

Жесткий диск в ДНК

Еще одно направление исследований — это исследования, основанные на биологии. методы сохранения данных. Одна из идей, которую мы также много раз описывали в МТ, заключается в следующем. хранение данных в ДНК, считается перспективным, чрезвычайно компактным и стабильным носителем информации (3). Среди прочих есть решения, позволяющие сохранять данные в геномах живых клеток.

По оценкам, к 2025 году во всем мире будет ежедневно производиться почти пятьсот эксабайт данных. Хранение их может быстро стать непрактичным для использования традиционная кремниевая технология. Плотность информации в ДНК потенциально в миллионы раз выше, чем у обычных жестких дисков. Подсчитано, что один грамм ДНК может содержать до 215 миллионов гигабайт. Он также очень стабилен при правильном хранении. В 2017 году ученые извлекли полный геном вымершего вида лошадей, жившего 700 XNUMX лет назад, а в прошлом году была прочитана ДНК мамонта, жившего миллион лет назад.

Основная сложность состоит в том, чтобы найти способ соединение цифровой мир i данные с биохимическим миром генов. В настоящее время речь идет о синтез ДНК в лаборатории, и хотя затраты быстро падают, это по-прежнему сложная и дорогостоящая задача. После синтеза последовательности необходимо бережно хранить in vitro до тех пор, пока они не будут готовы к повторному использованию, или их можно будет ввести в живые клетки с помощью технологии редактирования генов CRISPR.

Исследователи Колумбийского университета продемонстрировали новый подход, позволяющий осуществлять прямое преобразование цифровые электронные сигналы в генетические данные, хранящиеся в геномах живых клеток. «Представьте себе сотовые жесткие диски, которые могут выполнять вычисления и физически реконфигурироваться в режиме реального времени», — сказал Harris Wang, один из членов команды, Singularity Hub. «Мы считаем, что первым шагом является возможность напрямую кодировать двоичные данные в клетки без необходимости синтеза ДНК in vitro».

Работа основана на сотовом регистраторе на основе CRISPR, который Ван ранее разработанный для бактерий E. coli, выявляющий наличие определенных последовательностей ДНК внутри клетки и записывающий этот сигнал в геноме организма. Система имеет «сенсорный модуль» на основе ДНК, который реагирует на определенные биологические сигналы. Ван и его коллеги адаптировали сенсорный модуль для работы с биосенсором, разработанным другой командой, который, в свою очередь, реагирует на электрические сигналы. В конечном итоге это позволило исследователям прямое кодирование цифровой информации в геноме бактерий. Объем данных, которые может хранить одна ячейка, довольно мал, всего три бита.

Таким образом, ученые нашли способ кодировать 24 отдельные бактериальные популяции с помощью различных 3-битных фрагментов данных одновременно, всего 72 бита. Они использовали его для кодирования сообщений «Hello world!» в бактериях. и показали, что, упорядочив объединенную популяцию и используя специально разработанный классификатор, они могут прочитать сообщение с точностью 98 процентов. 

Очевидно, что 72 бита – это далеко от емкости. массовое хранение современные жесткие диски. Однако ученые считают, что решение можно быстро масштабировать. Хранение данных в ячейках это, по мнению ученых, намного дешевле, чем другие методы кодирование в генахпотому что вы можете просто вырастить больше клеток вместо того, чтобы заниматься сложным синтезом искусственной ДНК. Клетки также обладают естественной способностью защищать ДНК от нарушений окружающей среды. Они продемонстрировали это, добавив клетки кишечной палочки в нестерилизованную горшечную почву, а затем надежно извлекая из них все 52-битное сообщение путем секвенирования связанного микробного сообщества почвы. Ученые также начали разрабатывать ДНК клеток, чтобы они могли выполнять логические операции и операции с памятью.

4. Видение трансгуманистической сингулярности как следующего этапа эволюции

интеграция компьютерный техник i телекоммуникации он прочно связан с представлениями о трансгуманистической «сингулярности», предсказанными и другими футуристами (4). Интерфейсы мозг-машина, синтетические нейроны, хранение геномных данных — все это может развиваться в этом направлении. Есть только одна проблема — это все методики и эксперименты на самой ранней стадии исследований. Так что те, кто опасается этого будущего, должны упокоиться с миром, а энтузиасты интеграции людей с машинами должны остыть.